絲瓜絡(luò)固定生物氧化錳吸附重金屬離子

孟佑婷

（1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院北京市輻射中心，北京100875；2.北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院射線束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875）

重金屬是威脅生態(tài)環(huán)境安全和人類健康的重要污染物，其污染修復(fù)有多種方法，包括物理、化學(xué)和生物方法。生物吸附是一種環(huán)境友好型的修復(fù)技術(shù)，尤其是通過固定化微生物和納米材料吸附溶液中的重金屬離子受到越來越多的重視[1]。絲瓜絡(luò)（Loo?fah sponge），又名絲瓜網(wǎng)、瓜絡(luò)、絲瓜瓤，是葫蘆科植物絲瓜干燥成熟果實(shí)的維管束，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，具有獨(dú)特的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度[2]。絲瓜絡(luò)作為固定化基質(zhì)具有價(jià)格低廉、生物相容性好和環(huán)境友好等特點(diǎn)，目前多用于固定細(xì)菌、真菌和藻類制備復(fù)合吸附劑，吸附重金屬和有機(jī)物[3-8]。

氧化錳是環(huán)境中重要的吸附劑、催化劑和氧化劑[9]。多種細(xì)菌[9-11]和真菌[12]均可以通過直接或間接作用形成生物氧化錳（Biogenic manganese oxides，BMOs）。錳生物氧化速率比化學(xué)氧化速率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[13]，因此推測(cè)環(huán)境中氧化錳的形成主要是微生物驅(qū)動(dòng)的[14]。微生物主要通過多銅氧化酶[10，15]、漆酶[16]和動(dòng)物血紅素過氧化物酶[17]等催化錳的氧化，形成無定型態(tài)的BMOs 納米微粒。BMOs 普遍比化學(xué)氧化錳的比表面積大[9]，對(duì)重金屬和放射性核素有良好的吸附[18-22]和氧化作用[23]。在實(shí)際應(yīng)用中，游離氧化錳顆粒吸附重金屬離子時(shí)存在回收和重復(fù)利用困難等問題。有文獻(xiàn)報(bào)道了將化學(xué)氧化錳固定于生物炭[21，24]和沸石[25]來吸附重金屬離子，但將BMOs 固定于絲瓜絡(luò)并用于重金屬離子吸附鮮有報(bào)道。絲瓜絡(luò)固定BMOs 制備的復(fù)合吸附劑（Loofah sponge-immobilized biogenic manganese oxides，LIBMOs）可以提高吸附劑和金屬離子的回收利用效率，并有利于改善吸附穩(wěn)定性。本文制備植物-微生物復(fù)合吸附劑LIBMOs，研究該吸附劑的表面性質(zhì)，并考察其對(duì)重金屬離子的吸附特點(diǎn)。本研究將為水環(huán)境中重金屬離子的去除提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 BMOs合成

本文所用錳氧化細(xì)菌是一株蠟樣芽孢桿菌Bacil?lus cereus CP133（CP133），篩選自昌平錳礦舊址[26]。該菌株合成的BMOs為無定形態(tài)的納米微粒[26]。實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基為不添加pH 緩沖液的L2 培養(yǎng)基[18]，具體成分為：胰蛋白胨2 g·L-1、酵母萃取物0.5 g·L-1、NaCl 0.15 mol·L-1、KCl 0.005 mol·L-1、MgSO40.025 mol·L-1、CaCl20.005 mol·L-1、CuSO4?5H2O 10 mg·L-1、ZnSO4?7H2O 44 mg·L-1、CoCl2?6H2O 20 mg·L-1、Na2MoO4?2H2O 13 mg·L-1。配制好的培養(yǎng)基高壓蒸汽滅菌（121 ℃、30 min）后加入過濾滅菌（0.22 μm 濾膜）的MnCl2溶 液，終 濃 度 為10 mmol?L-1。BMOs 含 量 用Leucoberbelin Blue（LBB）方法測(cè)定[27]，所用儀器為MD公司的SpectraMax M3。

1.2 LIBMOs制備

本文所用絲瓜絡(luò)產(chǎn)自北京郊區(qū)。將絲瓜絡(luò)剪成小塊，用20%的NaOH 和一定量乙醇的混合溶液在室溫25 ℃下浸泡48 h；然后在80 ℃恒溫水浴中回流3 h；用去離子水洗滌NaOH 預(yù)處理的絲瓜絡(luò)若干次，直至洗滌液呈中性，抽濾后70 ℃烘干備用。將2.0 g?L-1的天然絲瓜絡(luò)（Loofah sponge，LS）或NaOH 預(yù)處理的絲瓜絡(luò)（NaOH-treated loofah sponge，NaOH-LS）加入L2液體培養(yǎng)基中高壓蒸汽滅菌后接種CP133，并添加MnCl2至10 mmol·L-1，振蕩培養(yǎng)（25 ℃、150 r·min-1）14 d。分別在2、4、6、8、10、12、14 d取樣檢測(cè)LS和NaOHLS 體系中被絲瓜絡(luò)固定的BMOs（Immobilized BMOs）和分散在培養(yǎng)基中的游離BMOs（Free BMOs）含量。14 d 后將LIBMOs 離心并用磷酸鹽緩沖液清洗3 次后冷凍干燥，用于表面性質(zhì)分析和重金屬離子吸附實(shí)驗(yàn)。

1.3 LIBMOs表面性質(zhì)分析

用掃描電鏡（SEM，F(xiàn)EI Quanta 200）觀察CP133、BMOs、絲瓜絡(luò)和LIBMOs 的表面形貌，樣品用導(dǎo)電膠固定在銅基板上，并做表面噴金處理。采用傅里葉紅外光譜儀（Thermo，Nicolet iS 50）對(duì)絲瓜絡(luò)和LIBMOs的表面官能團(tuán)進(jìn)行表征，采用KBr 壓片法制樣，掃描范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.4 LIBMOs吸附重金屬實(shí)驗(yàn)

LIBMOs 分別吸附重金屬離子Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+，實(shí)驗(yàn)在50 mL 離心管中進(jìn)行，反應(yīng)體系10 mL，pH 6.0，LIBMOs 投加量為2.0 g?L-1。實(shí)驗(yàn)在25 ℃下進(jìn)行，往復(fù)搖床轉(zhuǎn)速100 r·min-1，設(shè)置3個(gè)平行。吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中4 種重金屬離子的初始濃度均為0.1 mmol?L-1，振蕩時(shí)間4 h。等溫吸附實(shí)驗(yàn)中4 種重金屬離子初始濃度均為0～0.8 mmol?L-1，振蕩時(shí)間2 h。吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分離LIBMOs 并檢測(cè)殘留在溶液中的重金屬離子濃度。

LIBMOs 從溶液中吸附重金屬離子的量q（mmol?g-1）按公式（1）計(jì)算[18]：

式中：[ Me ]0和[ Me ]t分別為重金屬離子起始濃度和t時(shí)刻濃度，mmol?L-1；M 為吸附體系中 的LIBMOs 含量，g?L-1。重金屬離子濃度用電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP-AES）（Prodigy，Leeman Labs）測(cè)定。

用Langmuir 模型（公式2）和Freundlich 模型（公式3）擬合LIBMOs 吸附重金屬離子的等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]：

LIBMOs吸附重金屬離子的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（公式4）和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（公式5）進(jìn)行擬合[2]。

式中：qt為t 時(shí)間重金屬離子的吸附量，mmol?g-1；k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附的速率常數(shù)，min-1；k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附的速率常數(shù)，mmol?g-1?min-1。

采用軟件Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 LIBMOs制備效果評(píng)估

添 加LS 和NaOH-LS 培 養(yǎng)14 d 后，CP133 合 成BMOs的總量差別不大，如圖1所示。推測(cè)BMOs固定化的過程為：CP133 首先附著在絲瓜絡(luò)表面并逐漸形成芽孢，芽孢氧化生成的BMOs 被固定在絲瓜絡(luò)表面和分散到溶液中，最終兩種狀態(tài)的BMOs 達(dá)到平衡。NaOH-LS 體系固定BMOs 的比例[(固定化BMOs) ∕(固定化BMOs+游離BMOs)]和數(shù)量均高于LS 體系，培養(yǎng)14 d 后分別為79.66%（2.43 mmol?g-1）和49.39%（1.46 mmol?g-1）。這可能是因?yàn)镹aOH 預(yù)處理在不破壞絲瓜絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，有效地去除了表面憎水性組分（膠質(zhì)和蠟質(zhì)等），增加了絲瓜絡(luò)的親水性，易于CP133芽孢的附著和BMOs的固定[28]。

2.2 LIBMOs表面性質(zhì)分析

錳氧化細(xì)菌CP133未添加MnCl2的芽孢形態(tài)如圖2A 所示，形成的BMOs 大量附著在芽孢表面（圖2B）。天然絲瓜絡(luò)中有大量螺旋狀纖維管束結(jié)構(gòu)分布，且纖維表面被豐富的木質(zhì)素層覆蓋，結(jié)構(gòu)粗糙。經(jīng)過NaOH 預(yù)處理，部分木質(zhì)素和半纖維素被去除，橫截面密集分布的微小孔洞暴露出來（圖2C），可能使絲瓜絡(luò)的比表面積增大。經(jīng)過與CP133 共培養(yǎng)，NaOH預(yù)處理的絲瓜絡(luò)表面可見密布的CP133芽孢和BMOs（圖2D），表明該絲瓜絡(luò)樣品對(duì)CP133和BMOs的固定化效果良好。

絲瓜絡(luò)固定BMOs 前后的FTIR 圖譜如圖3 所示。參考相關(guān)文獻(xiàn)[2，29-30]，確定了絲瓜絡(luò)的紅外光譜特征峰及峰的歸屬，詳見表1。絲瓜絡(luò)在3 289 cm-1的寬大吸收峰表征羥基（—OH）的伸縮振動(dòng)，在2 919 cm-1有對(duì)應(yīng)的亞甲基（—CH2）反對(duì)稱伸縮振動(dòng)。NaOH 預(yù)處理后，分子內(nèi)氫鍵使—OH 吸收峰伸縮振動(dòng)向低波數(shù)方向移動(dòng)。兩種類型絲瓜絡(luò)接種CP133 后，—CH2的吸收峰基本消失，表明纖維素內(nèi)部部分氫鍵斷裂，其內(nèi)聚力減小。1 735 cm-1吸收峰表征半纖維素中乙?；螋然腃==O 伸縮振動(dòng)，間接表示半纖維素的分布。該峰的強(qiáng)弱一般可以表征木質(zhì)素與半纖維素連接的強(qiáng)弱。1 629 cm-1和1 509 cm-1的吸收峰表征苯環(huán)骨架的伸縮振動(dòng)和變形振動(dòng)，表征纖維素的分布。NaOH 預(yù)處理或接種CP133 后，1 735、1 629、1 509 cm-1和1 023 cm-1吸收峰消失或減弱，表明木質(zhì)素結(jié)構(gòu)受到破壞。推測(cè)表面裸露的羥基、胺基、羰基等基團(tuán)更有利于固定CP133和BMOs顆粒。

2.3 LIBMOs吸附重金屬的性能

表1 絲瓜絡(luò)紅外光譜的吸收峰及主要?dú)w屬Table 1 FTIR absorption peaks of loofah sponge and main assignments

表3 總結(jié)了文獻(xiàn)報(bào)道的絲瓜絡(luò)相關(guān)吸附劑對(duì)不同重金屬離子的吸附量，包括天然絲瓜絡(luò)、改性絲瓜絡(luò)和絲瓜絡(luò)固定微生物吸附劑。與文獻(xiàn)報(bào)道的吸附量相比，本文所用的LIBMOs 對(duì)幾種重金屬的吸附量有一定優(yōu)勢(shì)，這主要?dú)w因于BMOs 對(duì)重金屬離子的高吸附量。文獻(xiàn)報(bào)道的絲瓜絡(luò)相關(guān)吸附劑對(duì)重金屬離子的吸附多符合Langmuir 模型。在本文中Langmuir和Freundlich 模型對(duì)LIBMOs 吸附Pb2+和Cd2+的數(shù)據(jù)擬合相關(guān)性系數(shù)均較高（R2>0.95），表明LIBMOs 對(duì)Pb2+和Cd2+有更大的吸附潛力，可能同時(shí)存在外表面吸附、內(nèi)表面吸附和同晶置換[31-32]。

表2 LIBMOs對(duì)重金屬離子的吸附等溫線擬合參數(shù)Table 2 Adsorption isotherm parameters of heavy metals on LIBMOs

當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到60 min 時(shí)，LIBMOs 對(duì)幾種重金屬離子的吸附速率均趨于平緩，吸附90 min時(shí)均達(dá)到吸附平衡（圖5）。這是由于在吸附初始階段重金屬吸附于LIBMOs 表面的過程較快且效果明顯。隨著吸附時(shí)間延長(zhǎng)，傳質(zhì)動(dòng)力減小，金屬離子開始滲透到LIBMOs 的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)中，吸附位點(diǎn)與重金屬離子的接觸時(shí)間延長(zhǎng)，吸附過程趨于緩慢。

用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表4。結(jié)果表明，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型均較好地?cái)M合4 種重金屬離子的吸附過程（R2>0.95）。同時(shí)，Pb2+、Cd2+和Zn2+的吸附過程也符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2>0.95），表明LIBMOs 吸附3 種重金屬離子的過程（包括液膜擴(kuò)散、表面吸附和顆粒內(nèi)擴(kuò)散）存在相似性；Cu2+吸附于LIBMOs 的過程更符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，表明其僅在初始階段的快速吸附過程與另外3 種重金屬離子相似，而在進(jìn)入LIBMOs 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的吸附過程可能有其自身特點(diǎn)。另外，Cu2+作為重要的輔因子參與絲瓜絡(luò)表面CP133 芽孢氧化錳的過程[9-11]，這也會(huì)增加Cu2+吸附過程的復(fù)雜性。

3 結(jié)論

（1）利用錳氧化細(xì)菌將生物氧化錳成功固定于NaOH 預(yù)處理的絲瓜絡(luò)表面，制成植物-微生物復(fù)合吸附劑LIBMOs。

（2）將LIBMOs 用于吸附溶液中重金屬離子Pb2+、Cd2+、Zn2+和Cu2+，其理論飽和吸附量與其他絲瓜絡(luò)吸附劑相比有一定優(yōu)勢(shì)。其中LIBMOs 對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附行為同時(shí)符合Langmuir 和Freundlich 等溫吸附模型，表明LIBMOs 對(duì)這2 種重金屬離子有較強(qiáng)的吸附潛力。

（3）LIBMOs環(huán)境友好且成本低廉，在水環(huán)境重金屬離子去除應(yīng)用中有較好的前景。

表3 絲瓜絡(luò)相關(guān)生物吸附劑對(duì)重金屬離子的吸附量Table 3 Comparison of adsorption capacities of heavy metal ions by loofah sponge-related sorbents

表4 LIBMOs吸附重金屬離子的動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 4 Kinetic parameters for the adsorption of heavy metal ions onto LIBMOs